專利名稱：具有平坦光譜響應(yīng)的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)連接器，包括根據(jù)光學(xué)信號(hào)的波長(zhǎng)選擇其路由的信號(hào)混合器(multiplexer)和信號(hào)分離器(demultiplexer)。
光學(xué)信號(hào)以特有波長(zhǎng)，也稱作通道進(jìn)行傳輸。各通道之間在波長(zhǎng)上的間隔通常只有一個(gè)納米那么小，因此將不同波長(zhǎng)的信號(hào)組合起來(lái)和分解開(kāi)來(lái)的光學(xué)路由器必須能夠敏感如此小的波長(zhǎng)差。為了以高效率和相鄰?fù)ǖ篱g低串音傳輸不同波長(zhǎng)信號(hào)，需要精密地設(shè)計(jì)器件。
然而，信號(hào)與其預(yù)期的波長(zhǎng)略有漂移，尤其是在信號(hào)源。除非能夠容許更高的串音，否則漂移信號(hào)的傳輸效率常常會(huì)大大降低。此外，在制造或使用期間，路由器本身的傳輸特性可能發(fā)生變化。
把不同波長(zhǎng)信號(hào)組合起來(lái)或分解開(kāi)來(lái)的器件分別稱作信號(hào)混合器和信號(hào)分離器。通常，這兩種器件間的唯一區(qū)別是光在其中傳輸?shù)姆较?。信?hào)混合器把在各專用路徑中分別傳輸?shù)牟煌ㄩL(zhǎng)信號(hào)路由選擇到一個(gè)公用路徑中。信號(hào)分離器把在該公用路徑中一起傳輸?shù)墓鈱W(xué)信號(hào)路由返回到各專用路徑中。
在信號(hào)混合器和信號(hào)分離器中，采用兩種光學(xué)機(jī)構(gòu)來(lái)選擇公用路徑與各專用路徑間光學(xué)信號(hào)的路由，即色散(dispersion)和聚焦(focusing)。色散從角度上區(qū)分不同波長(zhǎng)的信號(hào)，聚焦是將角度上有區(qū)別的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g上有區(qū)別的信號(hào)。
例如，可以這樣排列聚焦機(jī)構(gòu)，在不同光學(xué)信號(hào)的每個(gè)波長(zhǎng)上形成公用路徑的分立的圖象。色散機(jī)構(gòu)使圖象在焦線上相對(duì)位移開(kāi)，位移量的大小隨不同信號(hào)的波長(zhǎng)而變。在與不同波長(zhǎng)信號(hào)的位移圖象相對(duì)應(yīng)的位置中，各專用路徑沿焦線排成列陣。因此，每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)在焦線上的不同位置中形成一個(gè)分立的公用路徑圖象，各專用路徑位于與不同波長(zhǎng)信號(hào)的圖象位置相一致的焦線上。
在公用路徑和各專用路徑中光能量以波型場(chǎng)定義的圖案分布在光傳輸方向橫截面上。通常，在每個(gè)波型場(chǎng)中光幅度分布是高斯分布。當(dāng)成象的公用路徑的中心幅度與各專用路徑的中心幅度分別嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)時(shí)，產(chǎn)生最大耦合效率。不同波長(zhǎng)信號(hào)的波長(zhǎng)的任何漂移會(huì)使成對(duì)的波型場(chǎng)(mode field)的中心幅度失準(zhǔn)，降低耦合效率。
光譜響應(yīng)曲線是在波長(zhǎng)域上以分貝損耗為單位測(cè)量耦合效率。分貝的較小變化(例如1至3分貝)通常是可以容許的，波長(zhǎng)的相應(yīng)范圍定義為通道帶寬。我的一份美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?8/581186、申請(qǐng)日為1995年12月29日題目為“帶寬可調(diào)的波長(zhǎng)信號(hào)混合器”，演示了在通道帶寬與串音衰減之間采取折衷的可能性。波型場(chǎng)的半徑定義在中心光強(qiáng)度的1/e2處，為了以低串音衰減為代價(jià)增大帶寬，能夠增加波型場(chǎng)的半徑。因此，在設(shè)計(jì)中，能夠把過(guò)剩串音衰減轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟮膸挕?br> 光譜響應(yīng)曲線的理想形狀是與倒的頂帽相似的矩形形狀。響應(yīng)曲線的底部最好是盡可能地平坦，以使帶寬內(nèi)的分貝偏差減至最小，兩側(cè)應(yīng)盡可能地陡直，以使帶寬的尺寸達(dá)到最大同時(shí)維持相鄰?fù)ǖ篱g所需的串音衰減。
美國(guó)專利號(hào)5412744公開(kāi)了一種波長(zhǎng)路由器，可作為具有平坦響應(yīng)曲線的信號(hào)混合器或信號(hào)分離器。共焦的星形耦合器把兩組波導(dǎo)(路徑)連接到相控陣的相對(duì)的兩端。由星形耦合器執(zhí)行聚焦功能，由相控陣執(zhí)行色散功能。利用Y形連接器連接相鄰波導(dǎo)的遠(yuǎn)處一端，可獲得平坦的響應(yīng)。從兩個(gè)相鄰的波型場(chǎng)收集光，將其重迭的響應(yīng)曲線組合起來(lái)。
然而，在成對(duì)的相鄰波導(dǎo)之間為了維持所需程度的串音衰減，需要增大間隔。與沒(méi)有Y形耦合器的類似器件相比，為了避免過(guò)剩的串音，每三個(gè)波導(dǎo)中只能使用一個(gè)。這大大減少了能夠通過(guò)器件選擇路由的不同波長(zhǎng)信號(hào)的數(shù)目。
《電子快報(bào)》1994年2月17日(Vol.30，No.4)發(fā)表了M.R.Amersfoort等人撰寫(xiě)的“具有平坦波長(zhǎng)響應(yīng)的相控陣波長(zhǎng)信號(hào)分離器”文章，在輸出列陣中用多模波導(dǎo)代替單模波導(dǎo)，使光譜響應(yīng)變平坦。由于可以將探測(cè)器與多模輸出波導(dǎo)相連接，在單模光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，不能采用該器件來(lái)選擇不同波長(zhǎng)信號(hào)的路由。
《光學(xué)快報(bào)為1995年1月1日(Vol.20，No.1)發(fā)表了 K.Okamoto和H.Yamada等人的題為“具有平坦光譜響應(yīng)的列陣波導(dǎo)光柵信號(hào)混合器”的另一篇文章，公開(kāi)了對(duì)相控陣的改進(jìn)，在信號(hào)混合器中產(chǎn)生接近于平坦的光譜響應(yīng)。然而，為實(shí)現(xiàn)光譜響應(yīng)的改進(jìn)所需的路程長(zhǎng)度變化是難以實(shí)現(xiàn)的。
在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)不同實(shí)施例中，以在單模光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)的方式，使信號(hào)混合器和信號(hào)分離器的光譜響應(yīng)變平坦。采用復(fù)合聚焦與一般波長(zhǎng)色散相組合，以容納光學(xué)信號(hào)的更大的波長(zhǎng)變化，不會(huì)有傳輸效率的過(guò)剩變化或降低串音衰減。
本發(fā)明的一種表述是作為信號(hào)混合器或信號(hào)分離器，包括用公用路徑傳送多個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)；用各專用路徑分別傳送不同波長(zhǎng)信號(hào)；用中間路徑耦合公用路徑與各專用路徑之間的不同波長(zhǎng)信號(hào)的現(xiàn)有的特征。在中間路徑中，用一個(gè)色散機(jī)構(gòu)使不同波長(zhǎng)信號(hào)在角度上分散開(kāi)，在中間路徑中，用一個(gè)聚焦機(jī)構(gòu)將不同波長(zhǎng)信號(hào)在角度上的分散轉(zhuǎn)變?yōu)榻咕€上在空間上的分散。
然而，與現(xiàn)行的信號(hào)混合器或信號(hào)分離器對(duì)比，本發(fā)明的聚焦機(jī)構(gòu)是一種具有兩個(gè)或多個(gè)相鄰焦點(diǎn)(即相鄰的主焦點(diǎn))的復(fù)合聚焦機(jī)構(gòu)，在焦線上在相對(duì)偏移的位置上產(chǎn)生每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的多個(gè)象點(diǎn)。使各專用路徑位于在焦線上，每個(gè)路徑與不同波長(zhǎng)信號(hào)中一個(gè)信號(hào)的多個(gè)象點(diǎn)相重合。
色散機(jī)構(gòu)和聚焦機(jī)構(gòu)都能夠采用不同的形式。例如，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，色散機(jī)構(gòu)是一個(gè)衍射光柵，聚焦機(jī)構(gòu)是該衍射光柵的一個(gè)反射表面。光柵的交錯(cuò)小面與產(chǎn)生相鄰焦點(diǎn)、具有偏移曲率中心的不同圓對(duì)準(zhǔn)。從兩個(gè)圓之間的一個(gè)重合點(diǎn)，與無(wú)限遠(yuǎn)相共軛的相鄰的焦點(diǎn)位于各自半徑到偏移中心的中間。
另一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)色散的相控陣波導(dǎo)，為了產(chǎn)生相鄰的焦點(diǎn)，在各自耦合中對(duì)列陣的一端或兩端作了改進(jìn)。通常，位于相控陣的相對(duì)兩端處的中間波導(dǎo)以與公用路徑和各專用路徑分別共焦的關(guān)系會(huì)聚到一個(gè)焦點(diǎn)上。然而，本發(fā)明提供了將交替的中間波導(dǎo)會(huì)聚到至少一個(gè)耦合器中的多于一個(gè)的焦點(diǎn)上。與上述實(shí)施例的小面相類似，交替波導(dǎo)的端頭能夠與產(chǎn)生相鄰焦點(diǎn)、具有偏移曲率中心的不同圓對(duì)準(zhǔn)。然而，與上述的實(shí)施例對(duì)比，不同圓的中心最好與相鄰焦點(diǎn)重合。
本發(fā)明的另一種表述是作為根據(jù)光學(xué)信號(hào)波長(zhǎng)選擇其路由的光學(xué)連接器。此外，公用路徑在不同波段內(nèi)傳送若干個(gè)這樣的光學(xué)信號(hào)，以列陣排列的各專用路徑在不同波段內(nèi)分別傳送光學(xué)信號(hào)。聚焦器以光學(xué)信號(hào)的每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)公用路徑分別成象。波長(zhǎng)色散器根據(jù)其波長(zhǎng)使公用路徑的成象在列陣的內(nèi)端上偏移開(kāi)來(lái)。
此外，對(duì)聚焦器進(jìn)行了改進(jìn)，在列陣的內(nèi)端上每個(gè)波長(zhǎng)至少形成兩個(gè)偏移的象。于是，在列陣內(nèi)端處的各個(gè)位置上能夠形成一個(gè)以上波長(zhǎng)的相應(yīng)圖象。列陣的各專用路徑的中心分別在形成不同波長(zhǎng)相應(yīng)象的各個(gè)位置上，以致在公用路徑與各專用路徑之間能夠?qū)γ總€(gè)波段中的更寬的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行耦合，不增加效率的變化。
聚焦器與波長(zhǎng)色散器一起構(gòu)成公用路徑與各專用路徑之間的若干個(gè)光學(xué)耦合，表示每個(gè)耦合的光譜響應(yīng)曲線在波長(zhǎng)域上以分貝損耗來(lái)定義的。能夠?qū)⒉ǘ味x為分貝變化小于預(yù)定量的鄰接的波長(zhǎng)組。最好，每個(gè)波長(zhǎng)的多個(gè)象點(diǎn)的偏移量使每個(gè)波段內(nèi)的波長(zhǎng)范圍超出一個(gè)象點(diǎn)所能達(dá)到的范圍。利用兩個(gè)以上的相鄰焦點(diǎn)能夠進(jìn)一步使光譜響應(yīng)曲線變平坦。例如，對(duì)于本實(shí)施例，最好是用具有三個(gè)等間隔象點(diǎn)的聚焦機(jī)構(gòu)。
形成多個(gè)相鄰的焦點(diǎn)(即每個(gè)波長(zhǎng)的多個(gè)偏移的象點(diǎn))是一種使波長(zhǎng)路由器的光譜響應(yīng)變平坦的有效、簡(jiǎn)單和直接的方法。于是，利用與制備一般聚焦機(jī)構(gòu)類似器件的相同制備技術(shù)，實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，增加的麻煩或成本是最小的。
除了本發(fā)明作為裝置的各種表述外，本發(fā)明還能夠獨(dú)立地表述為一種選擇公用路徑與若干個(gè)專用路徑間不同波長(zhǎng)信號(hào)路由的方法。關(guān)鍵的步驟包括(a)在各專用路徑的內(nèi)端上形成由公用路徑傳送的每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的第一和第二圖象集；(b)使第一和第二圖象集相對(duì)偏移開(kāi)，以致不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的兩個(gè)象在各專用路徑的內(nèi)端上是偏移開(kāi)的。每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的兩個(gè)象的偏移距離最好小于各專用路徑的內(nèi)端的中心間距。
盡管使象偏移開(kāi)的步驟會(huì)導(dǎo)致相鄰的各專用路徑之間串音有一些增加，但是本發(fā)明還提供了對(duì)路徑的內(nèi)端尺寸(即波型場(chǎng)的半徑)的調(diào)節(jié)，使串音衰減維持在最低的可接受的水平上。為了提供通道帶寬、串音衰減和傳輸效率(例如插入損耗)的所需的組合，能夠使相鄰焦點(diǎn)的數(shù)目、相鄰焦點(diǎn)間的間隔、和路徑內(nèi)端的尺寸達(dá)到最佳化。


圖1A是波長(zhǎng)信號(hào)混合器/信號(hào)分離器用反射-衍射光學(xué)元件聚焦和色散不同波長(zhǎng)信號(hào)的示意圖。
圖1B是使反射-衍射光學(xué)元件改進(jìn)成能定義兩個(gè)相鄰焦點(diǎn)的類似的示意圖。
圖2是沿圖1B所示信號(hào)混合器/信號(hào)分離器焦線剖面的放大圖。
圖3A是由疊加在各個(gè)專用路徑波型場(chǎng)上由公用路徑多個(gè)象產(chǎn)生的衍射場(chǎng)的圖形。
圖3B是公用路徑與一個(gè)專用路徑之間光學(xué)耦合的光譜響應(yīng)曲線的圖形。
圖4A是與圖3A圖形相類似的圖形，但是，衍射場(chǎng)伴隨兩焦點(diǎn)間間隔的增大而變化。
圖4B是與圖3B圖形相類似的圖形，表明間隔變化對(duì)光譜響應(yīng)曲線的影響。
圖5A是波長(zhǎng)信號(hào)混合器/信號(hào)分離器用一個(gè)相控陣和兩個(gè)光學(xué)耦合器聚焦和色散不同波長(zhǎng)信號(hào)的示意圖。
圖5B是表明現(xiàn)行光學(xué)耦合器更詳細(xì)細(xì)節(jié)的剖面圖。
圖5C是將光學(xué)耦合器改進(jìn)成每個(gè)耦合器內(nèi)定義兩個(gè)相鄰焦點(diǎn)的剖面圖。
圖6A是沿一個(gè)耦合器焦線剖面的放大圖。
圖6B是沿另一個(gè)耦合器焦線剖面的放大圖。
圖7A是在圖5C所示信號(hào)混合器/信號(hào)分離器中由疊加在一個(gè)專用路徑波型場(chǎng)上由公用路徑的多個(gè)象對(duì)產(chǎn)生的衍射場(chǎng)的圖形。
圖7B是在圖5C所示信號(hào)混合器/信號(hào)分離器中公用路徑與一個(gè)專用路徑之間光學(xué)耦合的光譜響應(yīng)曲線的圖形。
圖8是對(duì)信號(hào)混合器/信號(hào)分離器進(jìn)行改進(jìn)，在每個(gè)耦合器中包括三個(gè)相鄰焦點(diǎn)的剖面圖。
圖9A是在圖8所示信號(hào)混合器/信號(hào)分離器中由疊加在一個(gè)輸出路徑波型場(chǎng)上由輸入路徑的三個(gè)象產(chǎn)生的衍射場(chǎng)的圖形。
圖9B是使圖8所示信號(hào)混合器/信號(hào)分離器的相同輸入路徑與輸出路徑間光學(xué)耦合的光譜響應(yīng)曲線圖形。
用范圍很寬的各種聚焦機(jī)構(gòu)和色散機(jī)構(gòu)能夠構(gòu)造波長(zhǎng)信號(hào)混合器和信號(hào)分離器。用相同的光學(xué)元件能夠執(zhí)行聚焦和色散的功能，或者能夠用單獨(dú)的光學(xué)元件執(zhí)行每個(gè)功能。為了說(shuō)明本發(fā)明，圖1A-4B指用一個(gè)反射-衍射光學(xué)元件執(zhí)行聚焦和色散功能的實(shí)施例，其余的圖5A-9B指用一個(gè)相控陣執(zhí)行色散功能，用一對(duì)光學(xué)耦合器執(zhí)行聚焦功能的實(shí)施例。
圖1A和1B將現(xiàn)有信號(hào)混合器/信號(hào)分離器10與本發(fā)明的改進(jìn)的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器50進(jìn)行對(duì)比。二者都能夠理解為作為集成平面光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的，這是本發(fā)明較佳的形式。信號(hào)混合器/信號(hào)分離器10包括一個(gè)傳送若干個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”公用波導(dǎo)(路徑)12和若干個(gè)分別傳送不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1”和“λn”的專用波導(dǎo)(路徑)14a和14b。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，圖中僅示出兩個(gè)專用波導(dǎo)14a和14b，但是通常要采用許多。反射衍射光柵16通過(guò)一個(gè)中心條形波導(dǎo)(中心路徑)18將公用和各專用波導(dǎo)12和14a-b耦合起來(lái)。
由于能夠采用其他的具有反射-衍射光學(xué)元件的聚焦機(jī)構(gòu)，反射衍射光柵16包括順次遞進(jìn)的階式小面20，其中心22位于半徑為“R”、曲率中心為“C”所定義的弧線24上。小面20以閃耀角取向，因此，垂直于小面20的直線26從其各自的中心22伸展，會(huì)聚到一個(gè)閃耀點(diǎn)“B”。閃耀點(diǎn)“B”和曲率中心“C”都位于所謂的羅蘭圓28上，羅蘭圓通常是反射光柵16的切線，直徑等于光柵曲率半徑“R”。與無(wú)限遠(yuǎn)共軛的焦點(diǎn)“F”與羅蘭圓28的中心重合。
公用波導(dǎo)12的內(nèi)端32和各專用波導(dǎo)14a和14b的內(nèi)端34a和34b也位于羅蘭圓28上。羅蘭圓28定義一條焦線，內(nèi)端32、34a和34b的象與目標(biāo)共軛位于該焦線上。在多路傳輸模式中，通過(guò)公用波導(dǎo)12發(fā)射的每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”作為其內(nèi)端32的象投射到各專用波導(dǎo)內(nèi)端34a和34b的一個(gè)不同內(nèi)端上。在多路傳輸模式中，各專用波導(dǎo)14的內(nèi)端34a-b的象共同投射到公用波導(dǎo)12的內(nèi)端32上。
通過(guò)內(nèi)端32和34a-b傳送的光能量分布在垂直于傳播方向延伸的波型場(chǎng)上。通常，在波型場(chǎng)中，光強(qiáng)度具有高斯分布。在波型場(chǎng)中峰值強(qiáng)度的位置能夠看作是物點(diǎn)，其真正位置在羅蘭圓28上；也能夠看作是象點(diǎn)，其投射的位置在羅蘭圓28上。例如，在特定的波長(zhǎng)(即λ1和λn)，在公用波導(dǎo)的內(nèi)端32上的物點(diǎn)42作為與各專用波導(dǎo)內(nèi)端34a和34b上物點(diǎn)44a和44b相重合的兩個(gè)不同象點(diǎn)投射，在相同的波長(zhǎng)上，在內(nèi)端34a和34b上的物點(diǎn)44a和44b作為與內(nèi)端32上物點(diǎn)42相重合的公用象點(diǎn)投射。
無(wú)論是公用波導(dǎo)12還是各專用波導(dǎo)14a-b的物點(diǎn)42和44a-b上發(fā)射的每個(gè)不同波長(zhǎng)成象到羅蘭圓28上的特定位置。然而，物點(diǎn)42和44a-b僅僅對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)“λ1”和“λn”上相互的象點(diǎn)。在其他波長(zhǎng)上，象點(diǎn)偏離羅蘭圓28上相互的物點(diǎn)42和44a-b。
公用和各專用波導(dǎo)12和14a-b間的耦合效率與相應(yīng)目標(biāo)與象波型場(chǎng)之間的重迭積分有關(guān)。由于目標(biāo)場(chǎng)和象場(chǎng)中的光強(qiáng)度分布都是接近高斯分布的，重合時(shí)的任何偏差將減小其耦合效率。于是，不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”的波長(zhǎng)的任何變化能夠大大改變其通過(guò)信號(hào)混合器/信號(hào)分離器10傳輸?shù)男省?br> 新的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器50允許不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”的波長(zhǎng)有較大的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)波型場(chǎng)的尺寸和投射的圖象場(chǎng)(也稱為衍射場(chǎng))的形狀，不會(huì)增加其傳輸效率的變化。與信號(hào)混合器/信號(hào)分離器10類似，新的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器50包括一個(gè)公用波導(dǎo)52和若干個(gè)專用波導(dǎo)54a和54b，通過(guò)一個(gè)條形波導(dǎo)58由反射衍射光柵56進(jìn)行耦合。
然而，與上述實(shí)施例對(duì)比，反射衍射光柵56包括兩組各自的中心62和63位于兩個(gè)相對(duì)傾斜的弧線64和65上的交錯(cuò)的小面集60和61。盡管垂直于小面60和61、從其各自的中心62和63伸展的直線66會(huì)聚到一個(gè)閃耀點(diǎn)“B”上，但是弧線64和65具有兩個(gè)不同的曲率中心“C1”和“C2”。最好是，兩個(gè)弧線64和65都具有相同的曲率半徑“R”，但是，與兩個(gè)在角度上移開(kāi)的羅蘭圓68和69相切，羅蘭圓在其各自的曲率中心上限定相鄰的焦點(diǎn)“F1”和“F2”。
還是與上述實(shí)施例相對(duì)比，公用和各專用波導(dǎo)52和54a-b在寬度上是逐漸變尖，以調(diào)節(jié)其各自內(nèi)端72和74a-b上的波型場(chǎng)的半徑。波型場(chǎng)的半徑定義為最大強(qiáng)度的l/e2(即，從波型場(chǎng)中物點(diǎn)開(kāi)始的距離，此處的光強(qiáng)度是在目標(biāo)點(diǎn)上光強(qiáng)度的1/e2)。波導(dǎo)的錐度在內(nèi)端72和74a-b與各自的外端76和78a-b之間提供了逐步絕熱的過(guò)渡，外端76和78a-b將信號(hào)混合器/信號(hào)分離器50耦合到光學(xué)網(wǎng)絡(luò)(未示出)上。
在公用波導(dǎo)內(nèi)端72上的物點(diǎn)82和在各專用波導(dǎo)內(nèi)端74a-b上的物點(diǎn)84a-b作為相鄰象點(diǎn)對(duì)被反射衍射光柵56投射，在圖2的放大截面圖中能夠看出。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，兩個(gè)羅蘭圓68和69及其相應(yīng)的焦線畫(huà)成重迭線。在多路分解模式中，將物點(diǎn)82投射為象點(diǎn)對(duì)86a-87a和86b-87b。象點(diǎn)86a和87a跨在各專用波導(dǎo)54a內(nèi)端74a上物點(diǎn)84a，象點(diǎn)86b和87b跨在各專用波導(dǎo)54b內(nèi)端74b上物點(diǎn)84b。在多路傳輸模式中，將目標(biāo)點(diǎn)84a和84b投射為跨在物點(diǎn)82上的重合的象點(diǎn)對(duì)90a-91a和90b-91b。
羅蘭圓68上成對(duì)的象點(diǎn)86a-87a、86b-87b、90a-91a、和90b-91b之間的距離對(duì)應(yīng)于曲率中心“C1”與“C2”之間距離的兩倍，但是小于不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”之間在羅蘭圓上的波長(zhǎng)色散。由于成對(duì)的象點(diǎn)86a-87a、86b-87b、90a-91a、和90b-91b不是與其所跨的物點(diǎn)82、84a、或84b嚴(yán)格重合，能夠預(yù)料到耦合效率有小量的降低。然而，不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”的任何的略微的波長(zhǎng)漂移使象點(diǎn)配對(duì)(例如86a，87a)一個(gè)數(shù)(例如86a)移到靠近所跨的物點(diǎn)(例如84a)，同時(shí)使其他數(shù)(例如87a)向遠(yuǎn)處移動(dòng)同樣的距離，可以預(yù)料，波長(zhǎng)的略微漂移將產(chǎn)生耦合效率的小量變化。
形成衍射場(chǎng)的相應(yīng)的成對(duì)象場(chǎng)比從內(nèi)端72或74a-b上一個(gè)波型場(chǎng)的一次投射圖象要寬。這企圖增大通道的帶寬以及串音。然而，通過(guò)降低內(nèi)端72和74a-b上波型場(chǎng)的半徑，能夠使串音衰減恢復(fù)到所需的最低程度。早先所述的公用和各專用波導(dǎo)52和54a-b的內(nèi)端72和74a-b與外端76和78a-b之間錐形使內(nèi)端72和74a-b上波型場(chǎng)的半徑能夠在尺寸上不同于與網(wǎng)絡(luò)連接的外端76和78a-b上的波導(dǎo)寬度。
在申請(qǐng)日為1995年12月29日的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?8/581186中公開(kāi)了在通道寬度與串音衰減之間為實(shí)現(xiàn)理想的折衷而調(diào)節(jié)波型場(chǎng)的半徑的詳細(xì)情況。該項(xiàng)申請(qǐng)?jiān)诖俗鳛閰⒖嘉墨I(xiàn)用。
交錯(cuò)的小面60和61還引入一個(gè)會(huì)減小衍射光柵16單值地色散波長(zhǎng)的自由光譜范圍的第二周期數(shù)。等間隔的波長(zhǎng)在公共方向上衍射，增加的衍射峰被迭加在主衍射峰的中路上，由中間波長(zhǎng)和衍射階數(shù)的商大致地間隔主衍射峰。增加的衍射峰使自由光譜范例降低到與不同焦點(diǎn)“F1”和“F2”數(shù)相對(duì)應(yīng)的倍數(shù)分之一。例如，兩個(gè)焦點(diǎn)使自由光譜范圍減小到二分之一，三個(gè)焦點(diǎn)使自由光譜范圍減小到三分之一。
盡管減小，用新的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器傳輸?shù)耐ǖ婪秶?即工作帶寬)必須保持在自由光譜范圍之內(nèi)。在必要時(shí)，為了恢復(fù)所需的自由光譜范圍，能夠減小衍射階數(shù)。然而，減小衍射階數(shù)也減小焦線上所需的波長(zhǎng)線性色散。通過(guò)增大光柵的曲率半徑“R”或減小光柵的節(jié)距，能夠解決后一個(gè)問(wèn)題。
另一方面，通過(guò)把具有相似曲率中心的小面60和61組合在一起，能夠抑制增加的衍射峰。例如，光柵16的一半可以具有中心在“C1”鄰接小面60，光柵16的另一半可以具有中心在“C2”鄰接小面61。盡管抑制了增加的衍射峰，這一辦法能夠產(chǎn)生較小的通道帶寬和相鄰?fù)ǖ乐g較低的串音衰減。
以下提供根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的兩個(gè)數(shù)值化的例子?？傮w設(shè)計(jì)參數(shù)如下中心通道波長(zhǎng)1550nm相鄰?fù)ǖ乐g的波長(zhǎng)間隔 1.0nm在焦線上的波長(zhǎng)色散 20.0μ/nm使之達(dá)到最佳值的變量為如下例A 例B中心(C1、C2)之間的間隔 7.0m 8.5μm波型場(chǎng)的半徑(W) 6.0m 5.1μm在插入損耗“IL”(定義為每個(gè)波段的最小損耗)、損耗波紋“ΔIL”(定義為相對(duì)每個(gè)波段最小損耗，通道中心處的損耗增加)、通道帶寬“Δ λF”(定義為在每個(gè)波段最小損耗3分貝內(nèi)的波長(zhǎng)范圍)、和串音衰減“Xtalk”(定義為相對(duì)于每個(gè)波段的最小損耗，相鄰?fù)ǖ乐行牡乃p)之間導(dǎo)致的折衷為例A 例B插入損耗(IL) 1.9dB 3.0dB損耗波紋(ΔIL)0.0dB 2.0dB通道帶寬(ΔλF) 1.0nm 1.21nm串音衰減(Xtalk) 22.0dB22.0dB給定相鄰?fù)ǖ乐行纳?2.0dB的串音衰減“Xtalk”，例A和B的通道帶寬“ΔλF”都比單獨(dú)使波型場(chǎng)的半徑“W”達(dá)到最佳值所能得到的0.75nm帶寬要寬。然而，兩個(gè)光柵中心“C1”和“C2”之間的間隔增加也導(dǎo)致更高的插入損耗“IL”和損耗波紋“ΔIL”，對(duì)于較大的帶寬“ΔλF”，這可以針對(duì)需要進(jìn)行平衡。
圖3A和3B提供了例A的圖形表示，圖4A和4B提供了例B的類似的表示。例如，圖3A示出疊加在內(nèi)端74a的波型場(chǎng)94上的衍射場(chǎng)92的強(qiáng)度分布。在從物點(diǎn)84a測(cè)量的距離范圍上以分貝損耗表示兩個(gè)場(chǎng)92和94的強(qiáng)度。過(guò)去，使衍射場(chǎng)與目標(biāo)場(chǎng)重合。然而，本發(fā)明的兩個(gè)焦點(diǎn)“F1”和“F2”改進(jìn)了衍射場(chǎng)92，以包括跨在物點(diǎn)84a的兩個(gè)側(cè)瓣。衍射場(chǎng)92的象點(diǎn)86a和87a明顯在兩個(gè)側(cè)瓣的峰值強(qiáng)度附近。
波型場(chǎng)94的位置是固定的，但是，衍射場(chǎng)92的位置在羅蘭圓68和69上漂移，與波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于某一特定波長(zhǎng)的最大傳輸效率，衍射場(chǎng)嚴(yán)格與固定的波型場(chǎng)94匹配，與這一衍射場(chǎng)比較，平坦的衍射場(chǎng)92的小量漂移對(duì)于兩個(gè)場(chǎng)92和94之間的重迭面積影響很小，對(duì)于相鄰波長(zhǎng)的傳輸效率的影響相應(yīng)地也很小。
圖3B示出公用波導(dǎo)52與專用波導(dǎo)54a間耦合的光譜響應(yīng)曲線96。光譜響應(yīng)曲線96計(jì)算為衍射場(chǎng)92和波型場(chǎng)94之間的重迭積分。通道帶寬“ΔλF”在1549.5nm和1550.5nm之間，在相鄰?fù)ǖ?1549nm和1551nm)上的串音衰減“Xtalk”是22dB。在中心波長(zhǎng)(1550nm)上插入損耗“IL”是1.9dB，無(wú)損耗波紋“ΔIL”。在帶寬“ΔλF”內(nèi)，顯然，耦合效率的很小變化是與1550nm中心波長(zhǎng)附近的波長(zhǎng)有關(guān)。
圖4A和圖4B示出了使曲率中心“C1”和“C2”進(jìn)一步分開(kāi)到8.5m間隔的影響。衍射場(chǎng)102的象點(diǎn)86a和87a與窄的波型場(chǎng)104的物點(diǎn)84a進(jìn)一步分開(kāi)。相應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線106的通道帶寬“ΔλF”(1.21nm)顯著地放大，但是串音衰減“Xtalk”22dB維持相同。然而，插入損耗“IL”和損耗波紋“ΔIL”都增大。
也能夠單獨(dú)地考慮相鄰焦點(diǎn)“F1”和“F2”的影響，具有相同的結(jié)果。例如，可以將焦點(diǎn)“F1”和“F2”理解為在各自的羅蘭圓68和69上產(chǎn)生公用路徑52的兩個(gè)不同的象組。在每個(gè)象組中，公用路徑52的象的位移與波長(zhǎng)有關(guān)。然而，由于曲率中心“C1”和“C2”在兩個(gè)羅蘭圓68和69上也是分開(kāi)的，因此兩組象相互間也是分離開(kāi)的。于是，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的象能夠疊加在象組重迭的每個(gè)位置上。在這些位置上還有各專用路徑54a-b，能夠用每個(gè)專用路徑54a-b傳送兩個(gè)不同的波長(zhǎng)，具有相同的效率。由于曲率中心“C1”和“C2”及其相應(yīng)的焦點(diǎn)“F1”和“F2”進(jìn)一步分離開(kāi)，這些波長(zhǎng)從最后光譜響應(yīng)曲線的多個(gè)峰值強(qiáng)度顯現(xiàn)出來(lái)(見(jiàn)圖4B)。
圖5A-圖9B所示的其余實(shí)施例采用不同的色散機(jī)構(gòu)和聚焦機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)(即每個(gè)波長(zhǎng)的多個(gè)分開(kāi)的象點(diǎn))。圖5A示出現(xiàn)有相控陣信號(hào)混合器/信號(hào)分離器110的總體構(gòu)造。以平面形式實(shí)現(xiàn)，信號(hào)混合器110包括一個(gè)公用波導(dǎo)(路徑)112和一個(gè)專用波導(dǎo)(路徑)114a-114n列陣，由一個(gè)相控陣116和兩個(gè)光學(xué)耦合器118和120(中間路徑)互連。相控陣116是一個(gè)光程長(zhǎng)度差發(fā)生器，具有若干個(gè)不同長(zhǎng)度的中間波導(dǎo)(路徑)122，使不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”在角度上色散開(kāi)。
圖5B詳細(xì)示出兩個(gè)光學(xué)耦合器118和120。中間波導(dǎo)122的相對(duì)的兩端部分124和126把外表上平行的路徑會(huì)聚到分開(kāi)的焦點(diǎn)“C”和“D”上。端部124的端頭小面128位于曲率半徑為AR、曲率中心在焦點(diǎn)“C”上的弧線130上。同樣，端部126的端頭小面132位于曲率半徑為“R”、曲率中心在焦點(diǎn)“D”上的弧線134上。
在多路分解模式中，公用波導(dǎo)112發(fā)射的若干個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”通過(guò)條形波導(dǎo)136的自由空間發(fā)送，作為平行波前進(jìn)入中間波導(dǎo)122。中間波導(dǎo)122改變光程長(zhǎng)度，最好相鄰波導(dǎo)之間的光程長(zhǎng)度差不變，將不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”的平行波前轉(zhuǎn)變成根據(jù)其各自波長(zhǎng)相互傾斜的波前。不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”的相互傾斜波前通過(guò)條形波導(dǎo)138的自由空間在各自的會(huì)聚路徑上從中間波導(dǎo)122出射，根據(jù)其波長(zhǎng)聚焦到焦線140上的不同的點(diǎn)上。專用波導(dǎo)114a-c位于焦線140上，其位置對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”預(yù)計(jì)焦點(diǎn)位置。
在多路傳輸模式中，各專用波導(dǎo)114a-c通過(guò)條形波導(dǎo)138從焦線140上不同的位置上從發(fā)送路徑發(fā)射不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”。不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”作為相互傾斜的波前進(jìn)入中間波導(dǎo)122，但是，通過(guò)條形波導(dǎo)136作為平行波前從會(huì)聚路徑出射到焦點(diǎn)“C”。公用波導(dǎo)112與焦點(diǎn)“C”對(duì)準(zhǔn)，傳送組合的不同波長(zhǎng)信號(hào)“λ1-λn”。
圖5C-7B所示的新的相控陣信號(hào)混合器/信號(hào)分離器150與信號(hào)混合器/信號(hào)分離器110的排列相似，但是，包括為改善光譜響應(yīng)的焦點(diǎn)對(duì)“C1-C2”和“D1-D2”。類似的特征包括一個(gè)公用波導(dǎo)152和三個(gè)(預(yù)計(jì)為八個(gè)或更多個(gè))專用波導(dǎo)154a、154b和154c，由一個(gè)相控陣156和兩個(gè)光學(xué)耦合器158和160互連。
與前述的實(shí)施例對(duì)比，相控陣156的中間波導(dǎo)162的相對(duì)兩端都劃分成交錯(cuò)的端部分組164-165和166-167。在耦合器158里，端部分164通過(guò)條形波導(dǎo)176會(huì)聚到焦點(diǎn)“C1”，端部分165同樣地會(huì)聚到焦點(diǎn)AC2。端部分164的端面168位于中心在焦點(diǎn)AC1的弧線170上，端部分165的端面169位于中心在焦點(diǎn)AC2的弧線171上。在耦合器160中，端部分166通過(guò)條形波導(dǎo)178會(huì)聚到焦點(diǎn)“D1”，端部分167同樣地會(huì)聚到焦點(diǎn)“D2”。端部分166的端面172位于中心在焦點(diǎn)“D1”的弧線174上，端部分167的端面173位于中心在焦點(diǎn)“D2”的弧線175上。所有的弧線170、171、174、和175具有相同的曲率半徑“R”。
圖6A和圖6B示出了兩個(gè)條形波導(dǎo)176和178之間與公用和專用波導(dǎo)152和154a-c之間各自相交的放大截面圖。條形波導(dǎo)176沿焦線180與公用波導(dǎo)152的內(nèi)端面182連接。條形波導(dǎo)178沿焦線190與分別的專用波導(dǎo)的內(nèi)端面184a、184b、和184c連接。
在多路分解模式中，在公用波導(dǎo)152的內(nèi)端182上的波型場(chǎng)的物點(diǎn)192被投射為象點(diǎn)對(duì)196a-197a、196b-197b、和196c-197c。在多路傳輸模式中，各專用波導(dǎo)內(nèi)端184a-c上各自波型場(chǎng)的物點(diǎn)194a、194b、和194c被投射為重合的象點(diǎn)對(duì)200a-201a、200b-201b、和200c-201c。所有的象點(diǎn)對(duì)之間的間隔等于焦點(diǎn)“C1”和“C2”以及“D1”和“D2”間的間隔之和。
與前述實(shí)施例相似，交錯(cuò)的端部分組164-165和166-167引入一個(gè)減小相控陣信號(hào)混合器/信號(hào)分離器150自由光譜范圍的第二周期。成對(duì)的焦點(diǎn)“C1”、“C2”和“D1”、“D2”產(chǎn)生主衍射峰的附加衍射峰中路。此外，能夠使自由光譜范圍重新擴(kuò)大，通過(guò)減小衍射階數(shù)包括所需的工作帶寬，這是通過(guò)減小中間波導(dǎo)162之間的光程長(zhǎng)度差實(shí)現(xiàn)的。最好是通過(guò)相應(yīng)地增大曲率半徑“R”實(shí)現(xiàn)各自焦線180和190上不同波長(zhǎng)的所需線性色散。同樣地，也能夠使對(duì)準(zhǔn)的端部分164-165和166-167按組組合，以抑制附加的衍射峰。
該實(shí)施例的數(shù)值舉例具有如下基本參數(shù)中心通道波長(zhǎng)1550nm相鄰?fù)ǖ乐g的波長(zhǎng)間隔 1.6nm在焦線上的波長(zhǎng)色散 11.25μ/nm使變量達(dá)到最佳化，產(chǎn)生的折衷結(jié)果如下每個(gè)耦合器的焦點(diǎn)數(shù) 2
相鄰焦點(diǎn)之間的間隔5.0μm波型場(chǎng)的半徑(W) 3.7μm插入損耗(IL) 2.9dB每個(gè)通道中心的損耗波紋(ΔIL) 2.3dB3分貝損耗內(nèi)的通道帶寬(Δ8F) 1.4nm0.4nm內(nèi)的串音衰減(Xtalk) 22.0dB圖7A和7B的圖形表示本實(shí)施例作為公用路徑152與專用路徑154b之間耦合的預(yù)計(jì)性能。衍射場(chǎng)212的強(qiáng)度分布是公用波導(dǎo)的端面182上波型場(chǎng)的兩個(gè)投射象的疊加。象點(diǎn)196b和197b在兩個(gè)側(cè)瓣的最大強(qiáng)度附近，兩個(gè)側(cè)瓣跨在專用波導(dǎo)154b的端面184b上波型場(chǎng)214的物點(diǎn)194b。
產(chǎn)生的光譜響應(yīng)曲線216，其帶寬“ΔλF”等于1.4nm，在0.4nm相鄰?fù)ǖ啦ㄩL(zhǎng)內(nèi)的串音衰減“Xtalk”為22dB。在1550nm中心波長(zhǎng)上的損耗是插入損耗“IL”與損耗波紋“ΔIL”之和。然而，利用圖8所示的三個(gè)等間隔的焦點(diǎn)能夠去除大部分的損耗波紋“ΔIL”。
圖示的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器220具有所謂的“N×N”構(gòu)造，以三個(gè)輸入波導(dǎo)222a、222b、和222c和三個(gè)輸出波導(dǎo)224a、224b、和224c表示。輸入或輸出波導(dǎo)中的任何一個(gè)都能夠起公用波導(dǎo)的作用，相對(duì)的輸入或輸出波導(dǎo)中能夠起專用波導(dǎo)的作用。
相控陣226和兩個(gè)共焦的光學(xué)耦合器228和230使輸入波導(dǎo)222a-c與輸出波導(dǎo)224a-c互連。相控陣226的中間波導(dǎo)232的相對(duì)的端部分被分為交錯(cuò)的端部分組234-235-236和238-239-240。在耦合器228中，端部分234通過(guò)條形波導(dǎo)246會(huì)聚到焦點(diǎn)“C+1”，同樣，端部分235會(huì)聚到焦點(diǎn)“C0”，端部分236會(huì)聚到焦點(diǎn)“C-1”。端部分234的端面254位于中心在焦點(diǎn)“C+1”的弧線250上，端部分235的端面255位于中心在焦點(diǎn)“C0”的弧線251上，端部分236的端面256位于中心在焦點(diǎn)“C-1”的弧線252上。三個(gè)焦點(diǎn)“C+1”、“C0”、和“C-1”最好是等距離地位于焦線248上。
耦合器230最好是鏡面對(duì)稱的。端部分238的端面258位于中心在焦點(diǎn)“D+1”的弧線264上，端部分239的端面259位于中心在焦點(diǎn)“D0”的弧線265上，端部分240的端面260位于中心在焦點(diǎn)“D-1”的弧線266上。三個(gè)焦點(diǎn)“D+1”、“D0”、和“D-1”最好是等距離地位于焦線268上；所有的弧線250、251、252、264、265、和266最好具有相同的曲率半徑“R”。
然而，產(chǎn)生三個(gè)焦點(diǎn)組“C+1”、“C0”、“C-1”和“D+1”、“D0”、“D-1”的三個(gè)交錯(cuò)的端部分組234-235-236和238-239-240使自由光譜范圍減小到三分之一。與前述實(shí)施例相似，以尺寸為代價(jià)，能夠恢復(fù)所需的自由光譜范圍。
給定與最近的實(shí)施例相同的基本參數(shù)，使變量進(jìn)一步達(dá)到最佳化，產(chǎn)生的折衷如下每個(gè)耦合器的焦點(diǎn)數(shù)3相鄰焦點(diǎn)之間的間隔3.04μm波型場(chǎng)的半徑(W) 3.2μm插入損耗(IL) 3.3dB每個(gè)通道中心的損耗波紋(ΔIL) 0.0dB3分貝損耗內(nèi)的通道帶寬(ΔλF) 1.4nm0.4nm內(nèi)的串音衰減(Xtalk) 22.0dB圖9A和9B表示輸入波導(dǎo)222b和輸出波導(dǎo)224b之間典型的耦合。有三個(gè)不明顯側(cè)瓣的衍射場(chǎng)272疊加在輸出波導(dǎo)224b內(nèi)端處的波型場(chǎng)274上。由于耦合器228和230是等同的，形成衍射場(chǎng)272的三個(gè)波型場(chǎng)的象點(diǎn)276、277、和278，其分開(kāi)的間隔是相鄰焦點(diǎn)間距離的兩倍。象點(diǎn)277最好是與波型場(chǎng)274的物點(diǎn)282對(duì)準(zhǔn)，象點(diǎn)276和278最好是等距離地從物點(diǎn)282間隔開(kāi)。
從光譜響應(yīng)曲線284測(cè)量的帶寬“λF”和串音衰減“Xtalk”與最近的實(shí)施例相同，但是，在中心波長(zhǎng)處的損耗波紋“IL”已消除，插入損耗“IL”僅有少許增加。在絕大部分帶寬上顯然可見(jiàn)相當(dāng)平坦的帶通。
為了平衡競(jìng)爭(zhēng)性設(shè)計(jì)的興趣，在每個(gè)耦合器中能夠采用多一些或少一些的焦點(diǎn)。例如，耦合器228或230的一個(gè)能夠以一個(gè)焦點(diǎn)排列，而耦合器228或230的另一個(gè)能夠以二個(gè)或多個(gè)焦點(diǎn)排列。當(dāng)僅有一個(gè)耦合器具有多個(gè)焦點(diǎn)時(shí)，所投射象點(diǎn)之間的間隔與焦點(diǎn)之間的間隔匹配。
信號(hào)混合器/信號(hào)分離器220的輸入和輸出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也能夠運(yùn)用于前述的任何一個(gè)實(shí)施例，因?yàn)槟軌蛴媒裹c(diǎn)數(shù)產(chǎn)生衍射場(chǎng)。對(duì)位置、交錯(cuò)圖案、焦點(diǎn)的間隔作各種改進(jìn)也能實(shí)現(xiàn)特定的目的。
盡管各實(shí)施例是以平面形式實(shí)現(xiàn)的，但是，本發(fā)明也能夠以立體光學(xué)或平面與立體元件組合的混合光學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，包括傳送許多不同波長(zhǎng)信號(hào)的一個(gè)公用路徑；分別傳送不同波長(zhǎng)信號(hào)的各個(gè)專用路徑；將所述公用路徑與所述各專用路徑之間不同波長(zhǎng)信號(hào)耦合的一個(gè)中間路徑；在所述中間路徑里，使所述公用路徑傳送的不同波長(zhǎng)信號(hào)在角度上散開(kāi)的一個(gè)色散機(jī)構(gòu)；在所述中間路徑里，將不同波長(zhǎng)信號(hào)的角度色散轉(zhuǎn)變?yōu)榻咕€上的空間分散的一個(gè)聚焦機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的聚焦機(jī)構(gòu)具有相鄰的焦點(diǎn)，在焦線上相對(duì)偏移的位置中產(chǎn)生不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的多個(gè)象點(diǎn)；所述的各專用路徑位于焦線上，使得所述的各專用路徑中每一個(gè)路徑與不同波長(zhǎng)信號(hào)中一個(gè)信號(hào)的多個(gè)象點(diǎn)相重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的色散機(jī)構(gòu)是一個(gè)將所述公用路徑與各專用路徑耦合的、具有多個(gè)不同長(zhǎng)度中間路徑的光程長(zhǎng)度差發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的光程長(zhǎng)度差發(fā)生器在相鄰中間路徑之間具有恒定的光程長(zhǎng)度差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的公用路徑和所述的光程長(zhǎng)度差發(fā)生器是由一個(gè)第一耦合器互連的，所述的各專用路徑和所述的光程長(zhǎng)度差發(fā)生器是由一個(gè)第二耦合器互連的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于至少在所述第一和第二耦合器中的一個(gè)耦合器里形成所述的聚焦機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的中間路徑包括在所述第一耦合器里會(huì)聚于至少一個(gè)焦點(diǎn)的第一端和在所述第二耦合器里會(huì)聚于至少一個(gè)焦點(diǎn)的第二端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于中間路徑的所述第一端，其中一些終止在第一圓弧上，另一些終止在第二圓弧上，圓弧定義的二個(gè)曲率中心在所述公用路徑附近。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述中間路徑第二端，其中一些終止在第一圓弧上，另一些終止在第二圓弧上，圓弧定義的二個(gè)曲率中心在所述各專用路徑附近。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述中間路徑第二端，其中一些終止在第一圓弧上，另一些終止在第二圓弧上，圓弧定義的二個(gè)曲率中心在所述各專用路徑附近。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的象點(diǎn)在焦線上相隔一段距離，該距離大于各專用路徑附近兩曲率中心之間的間隔。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述中間路徑所述第一端的一部分會(huì)聚于第一焦點(diǎn)，所述第一端的其余部分會(huì)聚于與所述第一焦點(diǎn)相鄰的第二焦點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述第一端一些和另一些是以交錯(cuò)圖案排列的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述第一端一些和另一些是以分組方式排列的。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述中間路徑所述第一端的一些會(huì)聚于第一焦點(diǎn)，所述第一端的另一些會(huì)聚于與所述第一焦點(diǎn)相鄰的第二焦點(diǎn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求6的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述中間路徑所述第二端的一些會(huì)聚于第一焦點(diǎn)，所述第二端的另一些會(huì)聚于與所述第一焦點(diǎn)相鄰的第二焦點(diǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述第二端一些和另一些是以交錯(cuò)圖案排列的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述第二端一些和另一些是以分組方式排列的。
18.根據(jù)權(quán)利要求8的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于中間路徑所述第二端的一些會(huì)聚于第一焦點(diǎn)，所述第二端的另一些會(huì)聚于與所述第一焦點(diǎn)相鄰的第二焦點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的色散機(jī)構(gòu)是一個(gè)衍射光學(xué)元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的聚焦機(jī)構(gòu)是所述衍射光學(xué)元件的彎曲反射表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的衍射光學(xué)元件包括限定一個(gè)所述焦點(diǎn)的第一組小面和限定另一個(gè)所述焦點(diǎn)的第二組小面。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的第一和第二組小面是以交錯(cuò)的圖案排列的。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的第一和第二組小面是以分組方式排列的。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的第一和第二組小面位于各自的圓弧上。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述圓弧的曲率中心位于所述衍射光學(xué)元件的各自的羅蘭圓上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述焦點(diǎn)位于各自的羅蘭圓的中心。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的公用路徑和所述的各專用路徑的內(nèi)端也位于羅蘭圓上。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的象點(diǎn)相隔一段距離，該距離小于不同波長(zhǎng)信號(hào)在焦線上被所述衍射光學(xué)元件波長(zhǎng)色散的間隔。
29.根據(jù)權(quán)利要求2的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于(a)所述的公用路徑和所述的每個(gè)專用路徑都具有內(nèi)端和外端；(b)所述的內(nèi)端與所述的中間路徑相鄰近；(c)為了相對(duì)調(diào)節(jié)相鄰各專用波導(dǎo)之間的波長(zhǎng)帶寬和串音衰減，所述的內(nèi)端和外端，其寬度是可變的。
30.根據(jù)權(quán)利要求19的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于(a)所述的公用路徑和所述的每個(gè)專用路徑都具有內(nèi)端和外端；(b)所述的內(nèi)端與所述的中間路徑相鄰近；(c)為了相對(duì)調(diào)節(jié)相鄰各專用波導(dǎo)之間的波長(zhǎng)帶寬和串音衰減，所述的內(nèi)端和外端，其寬度是可變的。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于增大所述的內(nèi)端和外端的寬度，使在相鄰各專用波導(dǎo)之間的串音衰減處于預(yù)定量值時(shí)的波長(zhǎng)帶寬達(dá)到最大。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于公用路徑的所述內(nèi)端的尺寸與各專用路徑的所述內(nèi)端的相同，以降低耦合損失。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于限制所述內(nèi)端和外端之間的過(guò)渡斜率，在所述內(nèi)端與外端之間提供一個(gè)絕熱過(guò)渡。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的聚焦機(jī)構(gòu)至少有三個(gè)焦點(diǎn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的相應(yīng)象點(diǎn)等間隔地分布在焦線上。
36.根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于所述的色散機(jī)構(gòu)使自由光譜范圍中的不同波長(zhǎng)信號(hào)在角度上色散開(kāi)，所述聚焦機(jī)構(gòu)的所述相鄰焦點(diǎn)減小自由光譜范圍。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于使自由光譜范圍縮小的倍數(shù)等于相鄰焦點(diǎn)的數(shù)目。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器，其特征在于(a)若干個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)覆蓋一個(gè)工作帶寬；(b)不同波長(zhǎng)信號(hào)按所述色散機(jī)構(gòu)衍射階數(shù)函數(shù)關(guān)系在角度上色散開(kāi)；(c)調(diào)節(jié)衍射階數(shù)的大小，維持自由光譜范圍大于工作帶寬。
39.一種根據(jù)光學(xué)信號(hào)的波長(zhǎng)選擇其路由的光學(xué)連接器，包括在不同波段內(nèi)傳送若干個(gè)光學(xué)信號(hào)的公用路徑；在不同波段內(nèi)分別傳送光學(xué)信號(hào)的以列陣排列的各個(gè)專用路徑；通過(guò)以光學(xué)信號(hào)的每個(gè)波長(zhǎng)使所述公用路徑分別成象，將所述公用路徑與所述各個(gè)專用路徑互連的聚焦器；與所述聚焦器光學(xué)耦合的波長(zhǎng)色散器，根據(jù)其波長(zhǎng)使公用路徑的象在列陣的所述端上位置上位移開(kāi)來(lái)，其特征在于所述的聚焦器是這樣排列的，對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)在列陣的所述端上至少形成兩個(gè)象；使每個(gè)波長(zhǎng)的兩個(gè)象發(fā)生偏移，在列陣的所述端的每個(gè)位置上能夠形成不同波長(zhǎng)的相應(yīng)象；使列陣的所述專用路徑中心分別位于所述的形成不同波長(zhǎng)的相應(yīng)象的位置上，在所述公用路徑和各專用路徑之間，能夠使每個(gè)波段內(nèi)更寬的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行耦合，不會(huì)增加效率的變化。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的光學(xué)連接器，其特征在于(a)所述的聚焦器和所述的波長(zhǎng)色散器在所述公用路徑與各專用路徑之間形成若干個(gè)光學(xué)耦合；(b)表示所述的光學(xué)耦合的光譜響應(yīng)曲線在波長(zhǎng)域上以分貝損耗來(lái)定義；(c)所述的波段被定義為分貝損耗小于預(yù)定量的一組鄰接的波長(zhǎng)，(d)每個(gè)波長(zhǎng)的兩個(gè)象的偏移量超過(guò)每個(gè)波段內(nèi)的波長(zhǎng)范圍，超出范圍與其他方法形成每個(gè)波長(zhǎng)單個(gè)象有關(guān)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的光學(xué)連接器，其特征在于(a)所述的每個(gè)公用路徑和各專用路徑傳送在整個(gè)波型場(chǎng)上分布的光能量；(b)所述的聚焦器在從所述公用路徑到所述各專用路徑的光傳輸?shù)姆较蛏习阉龉寐窂讲ㄐ蛨?chǎng)的重迭象投射到所述的每個(gè)專用路徑上。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的光學(xué)連接器，其特征在于所述的聚焦器在從所述各專用路徑到所述公用路徑的光傳輸?shù)南喾捶较蛏习阉龈鲗Ｓ寐方?jīng)波型場(chǎng)的重迭圖象投射到所述的公用路徑上。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的光學(xué)連接器，其特征在于(a)公用路徑的重迭圖象在整個(gè)衍射場(chǎng)表現(xiàn)為各自光能量分布；(b)在所述的公用與各專用路徑之間，光學(xué)耦合的響應(yīng)曲線進(jìn)一步是以各專用路徑的衍射場(chǎng)與波型場(chǎng)之間的重迭積分定義的。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的光學(xué)連接器，其特征在于(a)象點(diǎn)定義在公用路徑波型場(chǎng)的所述象的峰值強(qiáng)度上；(b)重迭圖象的所述象點(diǎn)的間隔距離小于列陣所述端上所述各專用路徑中心之間的間隔。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的光學(xué)連接器，其特征在于重迭圖象的所述象點(diǎn)的間隔距離量大于從各自波型場(chǎng)的最大強(qiáng)度到在1/e2處所定義的各專用路徑波型場(chǎng)的半徑。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的光學(xué)連接器，其特征在于所述的聚焦器包括至少兩個(gè)相鄰的焦點(diǎn)，每個(gè)波長(zhǎng)形成至少兩個(gè)象。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的光學(xué)連接器，其特征在于所述的相鄰的焦點(diǎn)位于列陣的所述的端上。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的光學(xué)連接器，其特征在于(a)所述的公用路徑包括一個(gè)與所述波長(zhǎng)色散器相鄰的內(nèi)端；(b)所述的聚焦器包括位于公用路徑的所述內(nèi)端上的至少兩個(gè)附加相鄰焦點(diǎn)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的光學(xué)連接器，其特征在于所述的象點(diǎn)的間隔量是公用路徑的所述內(nèi)端上所述相鄰焦點(diǎn)間間隔和各專用路徑列陣的所述端上所述相鄰焦點(diǎn)間間隔之和。
50.根據(jù)權(quán)利要求39的光學(xué)連接器，其特征在于所述的聚焦器包括位于列陣的所述的端上的三個(gè)焦點(diǎn)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的光學(xué)連接器，其特征在于所述的三個(gè)焦點(diǎn)是等距地隔開(kāi)的。
52.一種在一個(gè)公用路徑與若干個(gè)專用路徑之間選擇不同波長(zhǎng)信號(hào)路由的方法，其特征在于包括以下步驟沿公用路徑傳送若干不同波長(zhǎng)信號(hào)；沿各專用路徑分別傳送不同波長(zhǎng)信號(hào)；在各專用路徑的內(nèi)端上形成由公用路徑傳送的不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的第一圖象集；在各專用路徑的內(nèi)端上形成由公用路徑傳送的不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的第二圖象集；使第一圖象集與第二圖象集相對(duì)偏移，每一個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的兩個(gè)象在各專用路徑的內(nèi)端上是偏移開(kāi)的。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其特征在于相對(duì)偏移的步驟包括使每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的兩個(gè)象間隔一段距離，該距離小于各專用路徑內(nèi)端的中心間隔距離。
54.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其特征在于(a)光能量以具有各自半徑的波型場(chǎng)分布在各專用路徑的內(nèi)端上；(b)所述的相對(duì)偏移的步驟具有增大各專用路徑間串音的影響。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其特征在于所述的相對(duì)位移的步驟伴以調(diào)節(jié)各專用路徑內(nèi)端波型場(chǎng)半徑，以抵消串音增大的另一個(gè)步驟。
56.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其特征在于所述的形成第一和第二圖象集的步驟包括在各個(gè)專用路徑內(nèi)端上形成公用路徑內(nèi)端的象。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的方法，其特征在于象點(diǎn)定義在各自圖象的峰值強(qiáng)度上，所述的形成第一和第二圖象集的步驟把一個(gè)以上波長(zhǎng)的象點(diǎn)疊加在各專用路徑的內(nèi)端上。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于不同波長(zhǎng)至少有三個(gè)象點(diǎn)疊加在各專用路徑的內(nèi)端上。
59.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其特征在于表示公用路徑與各專用路徑之間的光學(xué)耦合的響應(yīng)曲線是以波長(zhǎng)域上分貝損耗來(lái)定義的，第一和第二圖象集的偏移量使與不同波長(zhǎng)信號(hào)相鄰的響應(yīng)曲線變平坦。
60.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其特征在于進(jìn)一步包括如下步驟(a)在各專用路徑的內(nèi)端上形成公用路徑傳送不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的第三圖象集；(b)第三圖象集相對(duì)第一和第二圖象集有相對(duì)偏移，在各專用路徑的內(nèi)端上使不同波長(zhǎng)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的三個(gè)象產(chǎn)生位移。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其特征在于所述的相對(duì)位移的步驟包括使第一、第二和第三圖象集等量地位移。
全文摘要
新的信號(hào)混合器/信號(hào)分離器包括具有相鄰焦點(diǎn)的復(fù)合聚焦機(jī)構(gòu)。對(duì)于每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào),將一個(gè)或多個(gè)輸入路徑的多個(gè)象投射到一個(gè)或多個(gè)輸出路徑上。在每個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的中心波長(zhǎng)附近,使產(chǎn)生的光譜響應(yīng)變平坦。對(duì)于通道帶寬、插入損耗和串音的理想組合,能夠使焦點(diǎn)的數(shù)目和間隔、以及輸入、輸出路徑的波型場(chǎng)半徑達(dá)到最佳值。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1171559SQ9711375
公開(kāi)日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1997年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月1日
發(fā)明者丹尼斯·馬塞爾·特魯切特 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司